(57)【要約】    【課題】  薄膜結晶半導体を発電層とする光起電力装置において、光電変換効率を向上させる。    【解決手段】  基板１上に、第１電極層２、第１導電型の半導体層３、実質的に真性なｉ型薄膜結晶半導体層４、第１導電型と逆の導電型の第２導電型の半導体層６、及び第２電極層７を順次積層した光起電力装置において、ｉ型薄膜結晶半導体層４の下地層となる第１導電型の半導体層３が薄膜結晶半導体層であり、結晶化を阻害する元素が含有されていることを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板主面上に、第１電極層、第１導電型の半導体層、実質的に真性なｉ型薄膜結晶半導体層、前記第１導電型と逆導電型である第２導電型の半導体層、及び第２電極層を順次積層した光起電力装置において、
前記ｉ型薄膜結晶半導体層の下地層となる前記第１導電型の半導体層が薄膜結晶半導体層であり、結晶化を阻害する元素を含有していることを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
前記結晶化を阻害する元素が、Ｇｅ、Ｃ、Ｃｌ、及びＦから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記結晶化を阻害する元素が、Ｇｅであることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置。
【請求項４】
前記第１導電型の半導体層を通過した光が、前記ｉ型薄膜結晶半導体層に入射する構造を有しており、前記第１導電型の半導体層中の前記結晶化を阻害する元素の含有量が、光起電力装置の吸収端波長を実質的に変化させない量に制御されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力装置。
【請求項５】
前記第１導電型の半導体層が、前記結晶化を阻害する元素を０．１〜１０原子％含有していることを特徴とする請求項４に記載の光起電力装置。
【請求項６】
前記基板が非透光性基板であり、前記第１電極層が金属膜または金属膜と透明導電膜の積層膜から形成されており、前記第２電極層が透明導電膜から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光起電力装置。
【請求項７】
前記基板が透光性基板であり、前記第１電極層が透明導電膜から形成されており、前記第２電極層が金属膜または金属膜と透明導電膜の積層膜から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光起電力装置。
【請求項８】
前記ｉ型薄膜結晶半導体層が、（２２０）面の優先結晶配向を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜結晶半導体を発電層に用いた光起電力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄膜結晶半導体を発電層に用いた光起電力装置は、従来の非晶質薄膜半導体を用いた光起電力装置と比較してほとんど光劣化しないという特徴があるが、光電変換特性においてはさらに向上させる余地があることが知られている。一方、詳細な理由は明確ではないが、発電層となる薄膜結晶シリコンに関しては、結晶成分の中でも（２２０）面成分の多いものがよいとされており、薄膜結晶シリコンの配向性を制御することにより光電変化特性を向上させることが可能である。
【０００３】
特許文献１においては、微結晶シリコン半導体膜の結晶子サイズに注目して変換効率の高い光起電力装置が提案されているが、微結晶シリコンの配向性による光電変化効率の向上については何ら記載されていない。
【特許文献１】特開平９−２３２２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、薄膜結晶半導体を発電層とする光起電力装置において、変換効率に優れた光起電力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、基板主面上に、第１電極層、第１導電型の半導体層、実質的に真性なｉ型薄膜結晶半導体層、第１導電型と逆導電型である第２導電型の半導体層、及び第２電極層を順次積層した光起電力素子であり、ｉ型薄膜結晶半導体層の下地層となる第１導電型の半導体層が薄膜結晶半導体層であり、結晶化を阻害する元素を含有していることを特徴としている。
【０００６】
本発明に従い、ｉ型薄膜結晶半導体層の下地層となる第１の導電型半導体層に、結晶化を阻害する元素を含有させることにより、その上に形成する発電層であるｉ型薄膜結晶半導体層の結晶性を制御することができ、その結果として光電変換効率を向上させることができる。
【０００７】
下地層の結晶化を阻害することにより、その上に形成する薄膜結晶半導体層の結晶性が制御できる理由について明らかではないが、おそらく下地層の結晶化を阻害することにより、その上の層を結晶成長させる際の結晶核が少なくなるため、その上に形成する薄膜半導体層における結晶粒が大きくなり、結晶性が高められるものと思われる。
【０００８】
本発明における薄膜結晶半導体層は、結晶性を有する半導体層であり、微結晶半導体及び多結晶半導体などが挙げられる。特に、本発明においては、微結晶半導体であることが好ましい。
【０００９】
本発明において、第１導電型の半導体層に含有させる結晶化を阻害する元素としては、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｃ（炭素）、Ｃｌ（塩素）、及びＦ（フッ素）から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。これらの中でも、Ｇｅが特に好ましく用いられる。
【００１０】
本発明において、第１導電型の半導体層中に含有される結晶化を阻害する元素の濃度は、０．１〜１０原子％の範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは１〜５原子％の範囲内である。結晶化を阻害する元素の濃度が低すぎると、ｉ型薄膜結晶半導体層の結晶性を高めるという本発明の効果が十分に得られない場合がある。また、濃度が高すぎると、第１導電型の半導体層における光吸収が増えるため、発電層であるｉ型薄膜微結晶半導体層に吸収され発電に寄与する光の量が減少するので好ましくない。
【００１１】
結晶化を阻害する元素の膜中の濃度は、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定することができる。
【００１２】
本発明においては、下地層である第１導電型の半導体層に、結晶化を阻害する元素を含有させることにより、その上に形成されるｉ型薄膜結晶半導体層が、（２２０）面の優先結晶配向となることが好ましい。
【００１３】
本発明の光起電力装置において、第１導電型の半導体層を通過した光が、ｉ型薄膜結晶半導体層に入射する構造を有する場合、第１導電型の半導体層中の結晶化を阻害する元素の含有量は、光起電力装置の吸収端波長を実質的に変化させない量に制御されていることが好ましい。このように制御することにより、変換効率をさらに向上させることができる。
【００１４】
上記の第１導電型の半導体層を通過した光が、ｉ型薄膜結晶半導体層に入射する構造としては、第１電極層が裏面電極であり、第１電極層の上に第１導電型の半導体層及びｉ型薄膜結晶半導体層が積層されており、ｉ型薄膜結晶半導体層及び第１導電型の半導体層を通過した光が、裏面電極で反射され、再び第１導電型の半導体層を通りｉ型薄膜結晶半導体層に入射する構造のものが挙げられる。また、他の構造としては、第１電極層が光入射側の電極層であり、第１電極層側から入射した光が第１導電型の半導体層を通過した後、ｉ型薄膜結晶半導体層に入射する構造のものが挙げられる。
【００１５】
本発明に従う第１の局面の光起電力装置においては、基板が非透光性基板であり、第１電極層が金属膜または金属膜と透明導電膜の積層膜から形成されており、第２電極層が透明導電膜から形成されていることを特徴としている。第１の局面の光起電力装置においては、第２電極層側から光が入射される。
【００１６】
本発明に従う第２の局面の光起電力装置においては、基板が透光性基板であり、第１電極層が透明導電膜から形成されており、第２電極層が金属膜または金属膜と透明導電膜の積層膜から形成されていることを特徴としている。第２の局面の光起電力装置においては、基板側から光が入射される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、ｉ型薄膜結晶半導体層の下地層となる第１導電型の半導体層が薄膜結晶半導体層であり、結晶化を阻害する元素を含有している。これによって、その上に形成されるｉ型薄膜結晶半導体層の結晶性が制御され、光電変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明の第１の局面に従う一実施例の光起電力装置を示す断面図である。図１に示すように、基板１の上に、裏面電極２が設けられ、裏面電極２の上にｎ層３が設けられている。ｎ層３の上には、ｉ１層４及びｉ２層５が設けられており、これらのｉ型半導体層の上にｐ層６が設けられている。ｐ層６の上に透明電極７が設けられている。
【００２０】
本実施例においては、基板１としてステンレス板を用いている。裏面電極２は、本発明における第１電極層に相当し、Ａｇ（銀）から形成されている。ｎ層３は、ｎ型薄膜結晶半導体層であり、本発明における第１導電型の半導体層に相当する。ｉ１層４は、本発明におけるｉ型薄膜結晶半導体層に相当する。ｐ層６は、本発明における第２導電型の半導体層に相当し、透明電極７は、第２電極層に相当する。なお、透明電極７は、酸化錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）から形成されている。
【００２１】
本発明に従う実施例においては、ｐ層、ｉ１層及びｉ２層を、表１に示す条件で形成した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
また、ｎ層を、表２に示す条件で形成した。また、比較例として、ｐ層、ｉ１層及びｉ２層を表１に示す条件で形成し、ｎ層を表２に示す比較例の条件で形成した光起電力装置を作製した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
なお、表１及び表２において、ｐ層及びｎ層の形成に用いたドーピングガスは、以下の通りである。
Ｂ2Ｈ6：水素ベース１％
ＰＨ3：水素ベース２％
【００２６】
上記の実施例及び比較例において、ｎ層の厚みは５０ｎｍであり、ｉ１層及びｉ２層の合計の厚みは２μｍであり、ｐ層の厚みは１０ｎｍである。なお、ｎ層、ｉ１層、ｉ２層、及びｐ層は、いずれも微結晶半導体薄膜である。
【００２７】
以上のようにして作製した実施例及び比較例の薄膜結晶シリコン光起電力装置の光起電力特性を、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2、２５℃の条件で評価した。評価結果を表３に示す。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
表３から明らかなように、本発明に従う実施例における光起電力装置は、短絡電流及び曲線因子において比較例に比べ向上しており、その結果として光電変換効率が向上していることがわかる。
【００３０】
上記実施例におけるｉ型薄膜結晶半導体層における結晶構造を検討するため、図２に示す積層膜のサンプルを作製した。図２に示すように、この積層膜サンプルは、ガラス基板１１の上に、ｎ型微結晶シリコン膜１２（厚み６０ｎｍ）を形成し、その上にｉ１層として、微結晶シリコン膜１３（厚み１００ｎｍ）を形成し、その上にｉ２層として、微結晶シリコン膜１４（厚み４００ｎｍ）を形成している。
【００３１】
それぞれのシリコン薄膜の形成条件は、上記実施例及び比較例と同様にした。以下、これらを実施例及び比較例の積層膜サンプルという。
【００３２】
得られた実施例及び比較例の積層膜サンプルについて、ｉ２層側をＸ線入射面として、θ−２θ法によりＸ線回折分析を行った。
【００３３】
得られたＸ線回折スペクトルを図３に示す。図３に示すように、それぞれの積層膜サンプルにおいては、シリコンの（１１１）面、（２２０）面、及び（３１１）面からの回折ピークが確認される。ここで、各面におけるピーク強度をＩ（ａｂｃ）とすると、（２２０）面及び（１１１）面におけるピーク強度比ａ＝Ｉ（２２０）／Ｉ（１１１）は、比較例の積層膜サンプルにおいてａ＝２．０４であるのに対し、実施例の積層膜サンプルにおいては、ａ＝２．３８であった。このことから、本発明に従う実施例によれば、発電層である微結晶シリコン薄膜における（２２０）面成分が増加していることがわかる。従って、このような（２２０）面成分の増加により、変換効率が向上したものと思われる。
【００３４】
また、上記実施例でのｎ型半導体層の形成においては、ＧｅＨ4ガス／ＳｉＨ4ガスの流量比を２％としてＧｅをドープさせた微結晶シリコン薄膜を形成しているが、この微結晶シリコン薄膜についてＳＩＭＳ分析を以下のようにして行った。
【００３５】
ＳＩＭＳ装置：カメカ（ＣＡＭＥＣＡ）社製、ＩＭＳ−４Ｆ
試料法線からの角度：４２度
一次イオン：Ｃｓ+
加速電圧：５．５ｋＶ
【００３６】
ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型微結晶シリコン膜中のＧｅの原子濃度は２．５×１０21（ａｔｏｍ／ｃｍ3）であり、５原子％であることがわかった。
また、実施例及び比較例におけるｎ型微結晶シリコン薄膜のラマンスペクトルの測定し。
【００３７】
図４は測定結果を示す図である。図４から明らかなように、Ｇｅをガス流量比で２％含有させた実施例におけるｎ型微結晶シリコン薄膜においては、５２０ｃｍ-1付近における結晶成分を示すピークが低くなっていることがわかる。従って、Ｇｅを含有させることにより、結晶性が阻害され、結晶性が低下していることが確認された。
【００３８】
図５は、本発明の第２の局面に従う一実施例の光起電力装置を示す断面図である。図５に示すように、透光性基板２１の上には、透明電極２２が設けられており、透明電極２２の上にｐ型半導体層２３が形成されている。ｐ型半導体層２３の上に、ｉ１層２４及びｉ２層２５が形成されており、ｉ２層の上にｎ型半導体層２６が形成されている。ｎ型半導体層２６の上に、反射電極２７が形成されており、反射電極２７の上に封止材２８が形成されている。
【００３９】
本実施例においては、ｐ型半導体層２３に、Ｇｅなどの結晶性を阻害する元素が含有されている。従って、ｉ１層２４が、ｐ型半導体層２３へのＧｅなどの元素の添加により、結晶性が制御されている。本実施例においては、透明電極２２が第１電極層であり、ｐ型半導体層２３が第１導電型の半導体層であり、ｉ１層２４がｉ型薄膜結晶半導体層である。また、ｎ層２６が第２導電型の半導体層であり、反射電極２７が第２電極層である。
【００４０】
本実施例においては、基板２１として、ガラス基板などの透光性基板が用いられており、基板２１側から入射した光がｐ型半導体層２３を通りｉ１層２４及びｉ２層２５からなるｉ型半導体層である発電層に入射される。
【００４１】
本実施例においても、ｉ１層２４の結晶性を高めることにより、変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の局面に従う一実施例の光起電力装置を示す断面図。
【図２】薄膜結晶シリコンの結晶構造を調べるため作製した積層膜サンプルを示す断面図。
【図３】ｉ型薄膜結晶シリコン層のＸ線回折チャートを示す図。
【図４】下地層であるＧｅをドープした薄膜結晶シリコン層のラマンスペクトルを示す図。
【図５】本発明の第２の局面に従う一実施例の光起電力装置を示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１…基板
２…裏面電極（第１電極層）
３…ｎ層（第１導電型の半導体層）
４…ｉ１層（ｉ型薄膜結晶半導体層）
５…ｉ２層
６…ｐ層（第２導電型の半導体層）
７…透明電極（第２電極層）
１１…ガラス基板
１２…ｎ型微結晶シリコン膜
１３…ｉ１層
１４…ｉ２層
２１…透光性基板
２２…透明電極（第１電極層）
２３…ｐ型半導体層（第１導電型の半導体層）
２４…ｉ１層（ｉ型薄膜結晶半導体層）
２５…ｉ２層
２６…ｎ層（第２導電型の半導体層）
２７…反射電極（第２電極層）
２８…封止材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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